第八章反胶团萃取案例
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生化工程下游技术知识课件第八章反胶团萃取
反胶团萃取技术与其他分离技术的结合使用可以进一步提高分离效果和降低成本。
对生化工程的贡献
反胶团萃取技术的出现为生化工 程领域提供了一种新的分离纯化 手段，有助于提高产品的质量和
产量。
反胶团萃取技术可以应用于生物 医药、食品加工、环境保护等领 域，有助于推动相关产业的发展。
反胶团萃取技术还有助于促进生 化工程与其他学科的交叉融合，
反胶团萃取技术可用于细胞分离，根据细胞的不同性质实现细胞的分离和纯化。
细胞破碎
反胶团萃取也可用于细胞破碎，通过破坏细胞膜释放细胞内的内容物，用于下游 提取和纯化过程。
04 反胶团萃取的挑战与前景
反胶团萃取技术的局限性
适用范围有限
目前反胶团萃取技术主要适用于生物大分子物质的分离，对于小 分子物质的分离效果不佳。
促进相关领域发展
反胶团萃取技术的广泛应用将促进相关领域的发展，如生物制品的 分离纯化、药物制备等。
推动科技进步
反胶团萃取技术的发展将推动科技进步，为其他领域的技术创新提供 借鉴和启示。
05 结论
总结
反胶团萃取是一种有效的生化分离技术，具有高选择性、高回收率和低能耗等优点。
反胶团萃取在蛋白质、酶和其他生物分子的分离纯化方面具有广泛的应用前景。
推动学科发展。
对未来的影响
随着反胶团萃取技术的不断发展和完 善，其应用范围和应用领域将进一步 扩大。
反胶团萃取技术的深入研究将有助于 推动生化工程领域的技术创新和产业 升级，为人类社会的可持续发展做出 贡献。
反胶团萃取技术与其他技术的结合使 用将有助于解决一些传统分离方法难 以解决的问题，提高分离效果和降低 成本。
优化操作条件
通过实验研究，优化反胶 团萃取的操作条件，降低 对设备的要求，提高技术 的可操作性。
反胶团萃取专题PPT优秀课件
R16SO4Na R12CH(SO4Na)R3 R10CH(SO4Na)R5 R8CH(SO4Na)R7
13
CMC 0.0125 0.01 0.00865 0.014 0.016 8.7×10—5 1×10—4 1.4×10—4
5.8×10—4 1.72×10—3 2.35×10—3 4.25×10—3
CMC 0.136 0.00865 0.0024 0.00058 0.000165 9.9×10—3 9×10—4 8.7×10—5 1×10—5 1×10—6 0.01
0.35
0.025
0.13
表面活性剂 R12COOK R12SO3Na R12SO4Na R12NH3Cl
R12N(CH3)3Br R12O(CH2CH2O)6H R12O(CH2CH2O)9H R12O(CH2CH2O)12H
16
LOGO
5、反胶团溶解作用的推动力
生物分子溶解于A O T 等离子型表面活性剂反胶团 相的推动力有：
（1）表面活性剂与蛋白质的静电相互作用； （2）反胶团与生物分子间的空间排阻作用； （3）疏水性相互作用。
17
LOGO
（1）静电相互作用
反胶团萃取一般采用离 子 型表面活性剂制备反胶团相 ， 因此这些表面活性剂所形成的反胶团内表面带有负电荷 或正电荷。当改变水相pH值可使蛋白质表面带正电荷 (pH<pI)或负电荷(pH>pI)，通过与表面活性剂发生强烈 的静电相互作用，使蛋白质溶解在反胶团中。
AOT n-烃类(C6～C10)、异辛烷、 Brij60
辛烷
环己烷、四氯化碳、苯
CTAB 己醇／异辛烷，己醇／辛烷 TritonX 己醇／环己烷
三氯甲烷／辛烷
磷脂酰胆碱 苯、庚烷
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CMC 0.0125 0.01 0.00865 0.014 0.016 8.7×10—5 1×10—4 1.4×10—4
5.8×10—4 1.72×10—3 2.35×10—3 4.25×10—3
CMC 0.136 0.00865 0.0024 0.00058 0.000165 9.9×10—3 9×10—4 8.7×10—5 1×10—5 1×10—6 0.01
0.35
0.025
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表面活性剂 R12COOK R12SO3Na R12SO4Na R12NH3Cl
R12N(CH3)3Br R12O(CH2CH2O)6H R12O(CH2CH2O)9H R12O(CH2CH2O)12H
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5、反胶团溶解作用的推动力
生物分子溶解于A O T 等离子型表面活性剂反胶团 相的推动力有：
（1）表面活性剂与蛋白质的静电相互作用； （2）反胶团与生物分子间的空间排阻作用； （3）疏水性相互作用。
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（1）静电相互作用
反胶团萃取一般采用离 子 型表面活性剂制备反胶团相 ， 因此这些表面活性剂所形成的反胶团内表面带有负电荷 或正电荷。当改变水相pH值可使蛋白质表面带正电荷 (pH<pI)或负电荷(pH>pI)，通过与表面活性剂发生强烈 的静电相互作用，使蛋白质溶解在反胶团中。
AOT n-烃类(C6～C10)、异辛烷、 Brij60
辛烷
环己烷、四氯化碳、苯
CTAB 己醇／异辛烷，己醇／辛烷 TritonX 己醇／环己烷
三氯甲烷／辛烷
磷脂酰胆碱 苯、庚烷
第八章 生物产品的萃取和富集
图1 连续错流萃取回收酶的流程图
目的产物的萃取
细胞悬浮液经珠磨机破碎细胞后，与PEG和无机 盐在萃取器中混合，然后进入离心机分相。通过 选择合适的双水相组成，一般使目标蛋白质分配 到上相( PEG相) ，而细胞碎片、核酸、多糖和杂 蛋白等分配到下相(富盐相) 。主要原因有： (1) 核酸和多糖由于其亲水性，易分配到富盐相， 目标蛋白质只有分配到富PEG相才能达到分离目 的。 (2) 下相的高盐浓度易造成蛋白质失活或沉淀，而 PEG对蛋白质有保护作用。 (3) 细胞碎片分配在下相有利于连续式离心机分离， 如在上相易堵塞离心机出口。
第1步萃取后的上相中还含有较多杂蛋白及一些 核酸、多糖和色素(色素因其疏水性分配在上相) 等，可通过加入适量的盐，再次形成PEG/无机盐 体系来进行纯化。目标蛋白质仍留在PEG相中。 在第3步萃取中则将蛋白质转入富盐相，从而将 蛋白质与PEG分离开。但从经济角度考虑，一般 用2步萃取，即在第2步将目标蛋白质转入富盐相。
含水量是反胶团的一个重要参数，决定反胶团物 理性质，决定其大小和每个胶团中所含表面活性 剂的个数。 含水量与表面活性剂的种类、助表面活性剂、水 相中盐的种类和浓度有关。
反胶团体系分类
反胶团制备
相转移法
注射法 溶解法
溶解推动力
A 静电作用： 当溶质所带电荷与表面活性剂相反时,由于静电引 力的作用,溶质易溶于反胶团,溶解率或分配系数 较大,反之,则不能溶解到反胶团相中. B 空间相互作用 盐浓度增大对反胶团相产生脱水效应, 含水率W0 随盐浓度的增大而降低,反胶团直径减小, 空间排 阻作用增大, pro溶解下降.
生物分子的分配系数取决于溶质与双水相系统间 的各种相互作用，其中主要有静电作用、疏水作 用和生物亲和作用等。因此，分配系数是各种相 互作用的和。
第八章反胶团萃取
在AOT反胶团中，水合化一分子AOT需要 6～8个水分子，而其他水分子则不受束缚， 可与普通水一样自由流动，所以当W＞16 时，“水池”中的水逐渐接近主体水相粘度， 胶团内也形成双电层。
胶团变化示意图
反胶团的制备
1.液液接触法
即将含蛋白质的水相与含表面活性剂的
有机相接触。
2.注入法
将含有蛋白质的水溶液直接注入到含有
影响液膜萃取的操作参数
pH:对弱电解质，pH将影响其荷电形式
及不同电荷形式溶质的分率，从而影响 萃取率。
速度：对于支撑液膜，料液流速引起流
体力学的特性改变直接影响萃取率；对 于乳状液膜，搅拌速度影响乳化液的分 散和液膜的稳定性。
共存杂质
流动载体为离子交换萃取剂时，料液中 如果存在与目标分子带相同电荷的杂质时，由 于杂质的竞争会减小用于目标分子和供能离子 输送的载体量，引起目标分子通透性的下降。
反胶束萃取的原理： 疏
静电引力：主要是蛋白质的表面电荷
与反胶束内表面电荷（离子型表面活 性剂）之间的静电引力作用。 空间位阻作用：增大反胶束极性核的 尺寸，以减小大分子蛋白进入胶核的 传质阻力。
反胶束萃取的原理：
凡是能够引起静电引力，能够促使反
胶束尺寸增大的因素均有利于提高分 配系数。 这些因素主要是pH、离子强度、表面 活性剂种类和浓度等，通过因素优化， 实现选择性地萃取和反萃取。
液膜 料液 (W/O)/W型乳液液膜
②支撑液膜
支撑液膜是将固体膜浸在膜
溶剂(如有机溶剂中)使膜溶剂 液膜 充满膜的孔隙形成液膜。 支撑液膜分隔料液相和反萃 反 料 相,实现渗透溶质的选择性萃取。 萃 液 相 当液膜为油相时，常用的多 孔膜为聚四氟乙烯、聚乙烯和 聚丙烯等高疏水性膜。 与乳状液膜相比，支撑液膜 支撑液膜 结构简单，放大容易。
第八章反胶团萃取
反胶团萃取的工艺过程
前萃取 将目的蛋白质有选择性地从发酵液中转
移到反胶团溶液中。 后萃取 再用第二种水相溶液从反胶团中将该蛋
白质萃取出来。
影响反胶团萃取的因素
溶液的pH 溶液的离子强度 表面活性剂的浓度和种类 其他（有机溶剂、助表面活性剂、温
度）
反胶团萃取的应用
纯化和分离蛋白质、氨基酸、酶、多 肽等
迅速失活的问题； ④表面活性剂往往具有细胞破壁功效，可直接
从完整细胞中提取具有活性的蛋白质和酶； ⑤成本低，溶剂可反复使用等。
反胶团的形成
反胶团的构造
当向水溶剂中加入表面活性剂时，如表面活性剂的 浓度超过一定的数值时，形成正胶团。当向非极性 溶剂中加入一定量的表面活性剂时，会形成反胶团 或反向胶团。
蛋白质溶解方式示意图
反胶团萃取蛋白质的基本原理
是从主体水相向溶解于有机溶剂相中反 胶团微水相中的分配萃取。
同时也是一个 浓缩操作。
改变水相条件 可实现反萃取。
反胶团萃取蛋白质的示意图
“水壳”模型（water-shell mode））
蛋白质向非极性溶剂中反胶团的纳米级水池 中的溶解，如图所示的四种可能。
液膜的种类
液膜根据其结构可分为多种，但具 体有实际应用价值的主要有三种：
①乳状液膜 ②支撑液膜 ③流动液膜
液膜萃取
定义
液膜是由水溶液或有机溶剂构 成的液体薄膜。利用液膜将与之不能 互溶的液体分隔开来，使其中一侧的 液体中的溶质选择性的透过液膜进入 另一侧，实现溶质之间的分离。
液膜萃取机理
单纯迁移
液膜：通常是由溶剂、表面活性剂
和添加剂制成的。溶剂构成膜基体； 表面活性剂起乳化作用，可以促进 液膜传质速度并提高其选择性；添 加剂用于控制膜的稳定性和渗透性。
第八章反胶团萃取资料
影响反胶团萃取生物分子, 尤其是极性 , 对反胶团的 形成和大小都有影响 , 常用的溶剂有 : 烷烃 类 ( 正己烷、环己烷、正辛烷、异辛烷、正 十二烷等 ) 、四氯化碳、氯仿等等。有时也 用添加助溶剂 , 如醇类 ( 正丁醇等 ) 来调节 溶剂体系的极性 , 改变反胶团的大小 , 增加 蛋白质的溶解度。
2
影响反胶团萃取生物分子的主要因素
3
助表面活性剂的影响 蛋白质的相对分子质量往往很大 , 超过 几万至几十万 , 使表面活性剂形成的反胶团 的大小不足以包容大的蛋白质 , 而无法实现 萃取。此时 , 加入一些非离子表面活性剂 , 使它们插入反胶团的结构中 , 就可以增大反 胶团的尺寸 , 溶解较大相对分子质量的蛋白 质。
反胶团的构造
当向非极性溶剂中加入表面活性剂时， 如表面活性剂的浓度超过一定的数值时， 在非极性溶剂中表面活性剂聚集成团，其 疏水性的非极性尾部向外，指向非极性溶 剂，而极性头向内，与在水相中行成的微 胶团方向相反，因而称为反胶团。
反胶团体系的分类
1、 单一表面活性剂反胶团体系 研究得最多的是阴离子型ＡＯＴ , 该体系结构简单和稳定 , 反胶团体积相对较大 , 适用于等电点较高的较小相对分子质 量蛋白质的分离 , 其次有ＤＯＬＰＡ ( 二油基磷酸 ) 。另一类 是阳离子表面活性剂 , 如ＣＴＡＢ(溴代十六烷基三甲铵) , Ｔ ＯＭＡＣ（氯化三辛基甲铵） , ＤＡＰ ( 十二烷基丙酸铵 ), Ｄ ＤＡＢ ( 二十二烷基二甲基溴化铵 ) 等。该体系适用于等电点 较低的较大相对分子质量蛋白质的分离。而非离子型表面活 性剂能构成更大的反胶团 , 但这类体系容易乳化。一般在使用 时无须加入助剂的表面活性剂具有多条中等长度的烷基尾和 一个较小的极性头 , 如ＡＯＴ , ＤＤＡＢ有二条疏水尾 , 而Ｔ ＯＭＡＣ有三条疏水尾。
生物分离工程-反胶团萃取
选择的原则： A: 有利于增强蛋白质和反胶束间的静电作用 B: 有利于增加反胶束的大小
在反胶束萃取蛋白质的研究中，用得最多的是阴离子表 面活性剂AOT(Aerosol 0T)化学名为丁二酸—2—乙基己 基酯磺酸钠
（2）表面活性剂浓度的影响
增大表面活性剂的浓度可增加反胶束的数量，从而增 大对蛋白质的溶解能力。但表面活性剂浓度过高，会在 溶液中形成复杂的聚集体，增加反萃取的难度。应选择 一个最适的浓度。
（3）离子强度增强时，增大了离子向反胶束内“水池”的
迁移并取代其中蛋白质的倾向，使蛋白质从反胶束内被
盐析出来；
4，离子种类对萃取的影响
阳离子的种类如Mg2+，Na+，Ca2+，K+对萃取率 的影响主要体现在改变反胶束内表面的电荷密度上。 通常反胶束中表面活性剂的极性基团不是完全电离 的，有很大一部分阳离子仍在胶团的内表面上(相 反离子缔合)。极性基团的电离程度愈大，反胶束 内表面的电荷密度愈大，产生的反胶束也愈大。
dm0.3 W 02.4 (n)m
一般 W0 40， dm 12，可容纳一个直径为5~10 nm的蛋白质。当相对分子量大于100~200kD，难 于溶解在反胶团中。
反胶团的含水率W0与反胶团特性的关系： 以AOT为例： W06 ~ 8时，反胶团内微水相的水分子受表面活 性剂亲水基团的强烈束缚，表观黏度上升50倍， 疏水性也极高；
5 反胶束萃取用于蛋白质复性
反胶束萃取的一个非常吸引人的应用是使蛋白质复性。 重组DNA技术生产的大部分蛋白质，须溶于强变性剂中， 使它们从细胞中抽提出来。除去变性剂，进行复性的过 程通常要在非常稀的溶液下操作，以避免部分复性中间 体的凝聚。有人用AOT／异辛烷反胶束溶液萃取变性的核 糖核酸酶，将负载有机相连续与水接触除去变性剂盐酸 胍，再用谷胱甘肽的混合物重新氧化二硫键，使酶的活 性完全恢复，最后由反萃液回收复性的、完全具有活性 的核糖核酸酶，总收率达到了50％。
在反胶束萃取蛋白质的研究中，用得最多的是阴离子表 面活性剂AOT(Aerosol 0T)化学名为丁二酸—2—乙基己 基酯磺酸钠
（2）表面活性剂浓度的影响
增大表面活性剂的浓度可增加反胶束的数量，从而增 大对蛋白质的溶解能力。但表面活性剂浓度过高，会在 溶液中形成复杂的聚集体，增加反萃取的难度。应选择 一个最适的浓度。
（3）离子强度增强时，增大了离子向反胶束内“水池”的
迁移并取代其中蛋白质的倾向，使蛋白质从反胶束内被
盐析出来；
4，离子种类对萃取的影响
阳离子的种类如Mg2+，Na+，Ca2+，K+对萃取率 的影响主要体现在改变反胶束内表面的电荷密度上。 通常反胶束中表面活性剂的极性基团不是完全电离 的，有很大一部分阳离子仍在胶团的内表面上(相 反离子缔合)。极性基团的电离程度愈大，反胶束 内表面的电荷密度愈大，产生的反胶束也愈大。
dm0.3 W 02.4 (n)m
一般 W0 40， dm 12，可容纳一个直径为5~10 nm的蛋白质。当相对分子量大于100~200kD，难 于溶解在反胶团中。
反胶团的含水率W0与反胶团特性的关系： 以AOT为例： W06 ~ 8时，反胶团内微水相的水分子受表面活 性剂亲水基团的强烈束缚，表观黏度上升50倍， 疏水性也极高；
5 反胶束萃取用于蛋白质复性
反胶束萃取的一个非常吸引人的应用是使蛋白质复性。 重组DNA技术生产的大部分蛋白质，须溶于强变性剂中， 使它们从细胞中抽提出来。除去变性剂，进行复性的过 程通常要在非常稀的溶液下操作，以避免部分复性中间 体的凝聚。有人用AOT／异辛烷反胶束溶液萃取变性的核 糖核酸酶，将负载有机相连续与水接触除去变性剂盐酸 胍，再用谷胱甘肽的混合物重新氧化二硫键，使酶的活 性完全恢复，最后由反萃液回收复性的、完全具有活性 的核糖核酸酶，总收率达到了50％。
反胶团萃取磷酸溶液中的镁
反胶团萃取磷酸溶液中的镁
镁在许多生理过程中起到重要作用，它是人体健康的必要元素，对调节肌肉紧张性和水分平衡具有重要作用。
它也是一种常见的无机元素，广泛存在于大气、水体和土壤中。
镁的可发挥的全部功效依赖于镁的活性水平，因此，从磷酸溶液中提取镁成为研究人员的重要任务。
现有技术用于从磷酸溶液中提取镁，大多是采用沉淀法，即将镁以不可逆反应形式由一定pH值溶液中分离出来。
然而，由于沉淀法的反应慢，反应温度更高，用此方法研究人员无法将镁的活性水平分离出来，从而无法充分发挥镁的功效。
此外，萃取步骤可以用大量試劑，因此很耗费资源。
反胶团萃取是一种新型生物萃取技术，可以有效地同时发挥多种非常有效的镁萃取作用。
反胶团萃取利用反胶团蛋白结合镁离子并将其选择性地萃取出高浓度镁溶液。
首先，将反胶团蛋白与要处理的磷酸溶液混合搅拌，使
反胶团蛋白均匀分布在溶液中，并使镁离子与反胶团蛋白紧密结合，然后通过密集的滤网过滤，磷酸溶液中的离子仍留在溶液中，而反胶团蛋白结合的镁离子被分离出来。
最后，用于酸化和缓冲实验室浓度经过精确测定后，可以准确浓度反胶团萃取磷酸溶液中的镁，并保持高活性度。
反胶团萃取磷酸溶液中的镁有许多优势，如准确性高、速度快、可控性强等。
对反胶团萃取磷酸溶液中的镁既展示出良好的萃取性能，又能降低实验成本，这种新型技术值得大力开发和发展。
生物工程下游技术_第8章_反胶团萃取
离子强度对萃取率 的影响主要从一下 几个方面： ①影响蛋白质与表 面活性剂极性基团 的静电作用； ②影响反胶团的含 水率； ③离子进入“微水 池”影响其他溶质 的进入。
影响反胶团萃取的主要因素
表面活性剂类型及浓度的影响
增大表面活性剂的浓度可增加反胶束的数量， 从而增大对蛋白质的溶解能力。但表面活性剂 浓度过高时，有可能在溶液中形成比较复杂的 聚集体，同时会增加反萃取过程的难度。因此， 应选择蛋白质萃取率最大时的表面活性剂浓度 为最佳浓度。
该表面活性剂容易获得，其特点是具有双链，极性基 团较小、形成反胶束时不需加助表面活性剂，并且所 形成的反胶束较大，半径为170nm，有利于大分子蛋 白质进入。
反胶团溶液形成的条件和特性
阳离子表面活性剂
常使用的阳离子表面活性剂名称和结构如下： (1)CTAB(溴化十六烷基三甲胺/十六烷基三甲基胺溴)
影响反胶团萃取的主要因素
表面活性剂类型及浓度的影响
增大表面活性剂的浓度可增加反胶束的数量， 从而增大对蛋白质的溶解能力。但表面活性剂 浓度过高时，有可能在溶液中形成比较复杂的 聚集体，同时会增加反萃取过程的难度。因此， 应选择蛋白质萃取率最大时的表面活性剂浓度 为最佳浓度。
影响反胶团萃取的主要因素
(2)DDAB(溴化十二烷基二甲铵)
反胶团溶液形成的条件和特性
阳离子表面活性剂
常使用的阳离子表面活性剂名称和结构如下： (3) TOMAC(氯化三辛基甲铵)
反胶团溶液形成的条件和特性
2. 临界胶团浓度
要形成胶团或反胶团溶液，表面活性剂需达到一
定浓度。临界胶束浓度是形成胶团或反胶团的表面活
性剂的最低浓度，用CMC表示。
疏水内即所谓的核核何谓胶团反胶团何谓胶团反胶团基本概念基本概念?反胶团是指当油相中表面活性剂的浓度超过临界胶束浓度后其分子在非极性溶剂中自发形成的亲水基向内疏水基向外的具有极性内核polarcore的多分子聚集体何谓胶团反胶团何谓胶团反胶团基本概念基本概念??反胶团是表面活性剂分子溶反胶团是表面活性剂分子溶于非极性溶剂中自发形成的于非极性溶剂中自发形成的聚集体聚集体其中表面活性剂的其中表面活性剂的极性头朝内而非极性头朝外极性头朝内而非极性头朝外与有机溶剂接触
影响反胶团萃取的主要因素
表面活性剂类型及浓度的影响
增大表面活性剂的浓度可增加反胶束的数量， 从而增大对蛋白质的溶解能力。但表面活性剂 浓度过高时，有可能在溶液中形成比较复杂的 聚集体，同时会增加反萃取过程的难度。因此， 应选择蛋白质萃取率最大时的表面活性剂浓度 为最佳浓度。
该表面活性剂容易获得，其特点是具有双链，极性基 团较小、形成反胶束时不需加助表面活性剂，并且所 形成的反胶束较大，半径为170nm，有利于大分子蛋 白质进入。
反胶团溶液形成的条件和特性
阳离子表面活性剂
常使用的阳离子表面活性剂名称和结构如下： (1)CTAB(溴化十六烷基三甲胺/十六烷基三甲基胺溴)
影响反胶团萃取的主要因素
表面活性剂类型及浓度的影响
增大表面活性剂的浓度可增加反胶束的数量， 从而增大对蛋白质的溶解能力。但表面活性剂 浓度过高时，有可能在溶液中形成比较复杂的 聚集体，同时会增加反萃取过程的难度。因此， 应选择蛋白质萃取率最大时的表面活性剂浓度 为最佳浓度。
影响反胶团萃取的主要因素
(2)DDAB(溴化十二烷基二甲铵)
反胶团溶液形成的条件和特性
阳离子表面活性剂
常使用的阳离子表面活性剂名称和结构如下： (3) TOMAC(氯化三辛基甲铵)
反胶团溶液形成的条件和特性
2. 临界胶团浓度
要形成胶团或反胶团溶液，表面活性剂需达到一
定浓度。临界胶束浓度是形成胶团或反胶团的表面活
性剂的最低浓度，用CMC表示。
疏水内即所谓的核核何谓胶团反胶团何谓胶团反胶团基本概念基本概念?反胶团是指当油相中表面活性剂的浓度超过临界胶束浓度后其分子在非极性溶剂中自发形成的亲水基向内疏水基向外的具有极性内核polarcore的多分子聚集体何谓胶团反胶团何谓胶团反胶团基本概念基本概念??反胶团是表面活性剂分子溶反胶团是表面活性剂分子溶于非极性溶剂中自发形成的于非极性溶剂中自发形成的聚集体聚集体其中表面活性剂的其中表面活性剂的极性头朝内而非极性头朝外极性头朝内而非极性头朝外与有机溶剂接触
第八章反胶团萃取
2
影响反胶团萃取生物分子的主要因素
3
助表面活性剂的影响 蛋白质的相对分子质量往往很大 , 超过 几万至几十万 , 使表面活性剂形成的反胶团 的大小不足以包容大的蛋白质 , 而无法实现 萃取。此时 , 加入一些非离子表面活性剂 , 使它们插入反胶团的结构中 , 就可以增大反 胶团的尺寸 , 溶解较大相对分子质量的蛋白 质。
蛋白质的溶解
蛋白质向非极性溶剂中反胶团的纳米级水池中 的溶解，有四种可能： (1) 为水壳模型 (2)蛋白质中的亲脂部分直接与非极性溶剂的碳 氢化合物相接触 (3)蛋白质被吸附在微胶团的“内壁”上 (4)蛋白质被几个微胶团所溶解，微胶团的非极 性尾端与蛋白质的亲脂部分直接作用
反胶团萃取
反胶团的物理化学特性及制备
（1）反胶团的临界胶团浓度：将表面活性剂在非极 性有机溶剂相中能形成反胶团的最小浓度称为临 界胶团浓度。（ 大多数在0.1～1.0mmol/L的范围 内。 （2）反胶团含水率W：用水和表面活性剂的浓度之 比来定义。W越大，反胶团的半径越大。当W＜ ６～８时，微水相中的水分子被表面活性剂亲水 性基团强烈的束缚，其表观粘度可增大到普通水 粘度的50倍，且冰点通常低于0摄氏度。
第八章 反胶团萃取
概述 反胶团的形成 反胶团的理化特性及制备 反胶团萃取的原理 在分离工艺中的应用
概
述
1.概念 反胶团(Reversed Micelles)是两性表面活 性剂在非极性有机溶剂中亲水性基团自发 地向内聚集而成的，内含微小水滴，空间 尺度仅为纳米级的集合型胶体。
反胶团的两个特异性功能
1
影响反胶团萃取生物分子的主要因素
水相离子强度的影响 水相离子强度的增加产生两方面的影响: (1) 离子强度影响到反胶团内壁静电屏蔽的程 度 , 降低了蛋白质分子与反胶团内壁的静电作用 力； (2) 减小了表面活性剂极性头之间的相互斥力 , 使反胶团变小。这两方面的效应都会使蛋白质的 溶解性下降 , 甚至使已溶解的蛋白质从反胶团中 反萃出来。
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水相的pH值 盐离子的种类和浓度 温度 蛋白质的分子量和浓度 表面活性剂
①水相的 pH值
pH对萃取的影响主要体现在改变蛋白质的表 面电荷上。 在 pH小于蛋白质的等电点(pI)时 ,蛋白质表 面带正电荷 ;大于等电点时 ,蛋白质带负电荷。 AOT是一种阴离子型表面活性剂 ,它所形成 的反胶团的内表面带负电荷。 当水溶液的 pH小于蛋白质的等电点时,两表 面异电荷的吸引力使蛋白质的萃取率接近 1 0 0 %。当pH大于pI时,溶菌酶萃取率急剧 下降,直到接近于零 。
溶解推动力
①静电作用：
理论上,当溶质所带电荷与表面活 性剂相反时,由于静电引力的作用, 溶质易溶于反胶团,溶解率或分配 系数较大,反之,则不能溶解到反胶 团相中
左图为pH值对不同蛋白质的溶解 率急剧变化,当pH＜pI ,即在带正 电荷的pH范围内蛋白质的溶解率 接近100%,说明静电相互作用对蛋 白质的反胶团萃取起决定性作用。
（2）反胶团的制备
① 注入法
② 相转移法
③ 溶解法
三、 生理活性物质的分离农缩
1、反胶团萃取原理
蛋白质进入反胶团溶液是一协同过程。在有机溶剂 相和水相两宏观相界面间的表面活性剂层 ,同邻近 的蛋白质分子发生静电吸引而变形 ,接着两界面形 成含有蛋白质的反胶团 ,然后扩散到有机相中 ,从 而实现了蛋白质的萃取。(可能机理） 改变水相条件 (如pH值、离子种类或离子强度 ) , 又可使蛋白质从有机相中返回到水相中 ,实现反萃 取过程。
用 AOT反胶团体系萃取血红蛋白时发现 , 蛋白质浓度高时,萃取率降低;而蛋白质浓 度低时,萃取率较高。
⑥表面活性剂
表面活性剂的类型 目前最常用的反胶团或微乳液是 AOT/异辛烷 体系。一是AOT形成的反胶团较大 ,有利于蛋 白质的萃取 ;二是AOT形成反胶团时不需加助 表面活性剂。 表面活性剂的浓度 当其它条件一定时 ,表面活性剂浓度也存在某 临界值。小于此临界值时 ,增大表面活性剂的 浓度可提高蛋白质的萃取率 ,大于临界值时 , 则无明显影响
② 空间相互作用
A. 盐浓度增大对反
胶团相产生脱水效应, 含 水率W0随盐浓度的增大 而降低,反胶团直径减小, 空间排阻作用增大, pro 溶解下降。
B .在各pro的pI处(排除了静电相互作用的影响)，反胶团萃 取实验研究表明: 随着M增大, pro的分配系数(m, 溶解率)下 降。表明随M增大, 空间排阻作用增大, pro的溶解率降低.
阳离子表面活性剂
季铵盐
非极性有机溶剂：环己烷，庚烷， 辛烷等
分离蛋白质时， 使用最多的是阴离子型表面活性剂AOT。
2、反胶团的物理化学特性及制备
（1）反胶团的物理化学特性
① 反胶团的临界胶团浓度
表面活性剂在非极性有机溶剂中能形成反胶团的最小浓度
② 反胶团含水率W W=C水/C表 W越大，反胶团的半径越大
一、概述
反胶团(Reversed Micelles)是两性表面活性 剂在非极性有机溶剂中亲水性基团自发地向内聚集 而成的，内含微小水滴的，空间尺度仅为纳米级的
集合型胶体。是一种自我组织和排列而成的，并具
热力学稳定的有序构造。
反胶团的微小界面和微小水相具有两个特异性 功能：
(2)在疏水性环境中具有使亲水性大分子如蛋白质等 保持活性。
人有了知识，就会具备各种分析能力， 明辨是非的能力。 所以我们要勤恳读书，广泛阅读， 古人说“书中自有黄金屋。 ”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识， 培养逻辑思维能力； 通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平， 培养文学情趣； 通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。 有许多书籍还能培养我们的道德情操， 给我们巨大的精神力量， 鼓舞我们前进。
当向非极性溶剂中加入表面活性剂，并使其浓度超过一 定数值时，也会在非极性溶剂内形成表面活性剂的聚集体。 与在水相中不同的是，其疏水性的非极性尾部向外，指向非 极性溶剂，而极性头向内，与在水相中形成的微胶团方向相 反，因而称之为反胶团或反向胶团。
构成反胶团的表面活性剂种类：
阴离子表面活性剂
AOT(琥珀酸二酯磺酸钠，P154图8-2）
②盐离子的种类
③盐浓度
W0
S&Pro Z
盐浓度
萃取率
④温度
温度是影响蛋白质萃取率的一个重要因素。一 般来说 ,温度的增加将使反胶团的含水量下降。 不利于蛋白质的萃取。
通过提高温度可以实现蛋白质的反萃取。
⑤ 蛋白质分子量和浓度
蛋白质的分子量对其萃取率有较大影响。 例如溶菌酶、胰蛋白酶和胃蛋白酶的分子 量分别为 14300、23300、35000 , AOT/ 异辛烷反胶团萃取它们的最大萃取率分别 约为 1 0 0 %、90 %、3 0 % ,表明分子量 越大的蛋白质越难萃取。
2、蛋白质的溶解
a、水壳模型：蛋白质位于水
池的中心，周围存在的水层将 其与反胶团壁隔开；
b、半岛模型：pro表面存在
强烈疏水区，该区直接与有机 相接触；
c、pro吸附于反胶团内壁； d、pro疏水区与几个反胶团的
疏水尾发生相互作用，被几个 小反胶团所“溶解”。
3、反胶团萃取
1）分离场-分离物质的相互作用
(5)反胶团萃取技术的成本低，溶剂可反复使用等。
二、反胶团的形成
1、反胶团的构造： 在胶体化学中我们知道，如向水溶液中加入表面活性
剂，并使其浓度超过一定数值时，表面活性剂就会在水相中
形成胶体或微胶团，它是表面活性剂的聚集体。其亲水性的 极性端向外指向水溶液，疏水性的非极性“尾”向内相互聚
集在一起。
所以可以根据pro间M的差别选择性对pro进行萃取分离。
③疏水性相互作用 aa的疏水性各不相同, 研究表明, aa或肽的分配系数m随aa 疏水性的增大而增大（ P160图8-7）。蛋白质的疏水性影响 其在反胶团中的溶解形式,因而影响其分配系数。疏水性较 大的pro可能以“半岛式”形式溶解。
2）反胶束萃取的影响因素
水
极性“头”
微胶团：水溶液中
表面活性剂的极
性头朝外，疏水 的尾部朝内，中 间形成非极性的 “核”
非极性的 “核”
非极性“尾”
非极性有 机溶剂
极性“头”
反胶团：
表面活性剂的极
性头朝内，疏水 的尾部向外，中 间形成极性的“核”
极性的“核” 反微团内溶解的水称为微水相或水池
非极性“尾”
第八章 反胶团萃取
案例二： 使用二级混合-分离型萃取流程，用 TOMAC/0.1%辛醇-异辛烷的溶液体系连续分 离-淀粉酶，浓缩了17倍。(图)
案例三 ： 胞内酶的提取
作业：
第八章 反胶团萃取
1.概念：反胶团；反胶团的临界胶团浓度 2.反胶团萃取的优点有哪些？ 3.如何用反胶团萃取技术分离核糖核酸酶a、细胞色 素c和溶菌酶？
(1)具有分子识别并允许选择性透过的半透膜的功能；
反胶团萃取的优点
，过程简便；
(3)能解决蛋白质(如胞内酶)在非细胞环境中迅速失
活的问题； (4)由于构成反胶团的表面活性剂往往具有细胞破壁功 效，因而可直接从完整细胞中提取具有活性的蛋白 质和酶；
四、 反胶团萃取的应用
分离蛋白质混合物； 浓缩α -淀粉酶； 从发酵液中提取胞外酶 ； 直接提取胞内酶； 用于蛋白质复性。
案例一： 通过三步分离操作分离了核糖核酸酶a、 细胞色素c和溶菌酶。 依据原理1 依据原理2
通过调节水相pH值和KCl浓度来实现三种蛋白质的 分离。在pH=9时，核糖核酸酶的溶解度很小，保留 在水相而与其他两种蛋白质分离；相分离后得到的 反胶团相（含细胞色素C和溶菌酶）与0.5 mol/L的 KCl水溶液接触后，细胞色素C被反萃取到水相，而 溶菌酶留在反胶团相；含溶菌酶的反胶团与2.0 mol/L KCl，pH值为11.5的水相接触后，将溶菌酶 反萃至水相中。
①水相的 pH值
pH对萃取的影响主要体现在改变蛋白质的表 面电荷上。 在 pH小于蛋白质的等电点(pI)时 ,蛋白质表 面带正电荷 ;大于等电点时 ,蛋白质带负电荷。 AOT是一种阴离子型表面活性剂 ,它所形成 的反胶团的内表面带负电荷。 当水溶液的 pH小于蛋白质的等电点时,两表 面异电荷的吸引力使蛋白质的萃取率接近 1 0 0 %。当pH大于pI时,溶菌酶萃取率急剧 下降,直到接近于零 。
溶解推动力
①静电作用：
理论上,当溶质所带电荷与表面活 性剂相反时,由于静电引力的作用, 溶质易溶于反胶团,溶解率或分配 系数较大,反之,则不能溶解到反胶 团相中
左图为pH值对不同蛋白质的溶解 率急剧变化,当pH＜pI ,即在带正 电荷的pH范围内蛋白质的溶解率 接近100%,说明静电相互作用对蛋 白质的反胶团萃取起决定性作用。
（2）反胶团的制备
① 注入法
② 相转移法
③ 溶解法
三、 生理活性物质的分离农缩
1、反胶团萃取原理
蛋白质进入反胶团溶液是一协同过程。在有机溶剂 相和水相两宏观相界面间的表面活性剂层 ,同邻近 的蛋白质分子发生静电吸引而变形 ,接着两界面形 成含有蛋白质的反胶团 ,然后扩散到有机相中 ,从 而实现了蛋白质的萃取。(可能机理） 改变水相条件 (如pH值、离子种类或离子强度 ) , 又可使蛋白质从有机相中返回到水相中 ,实现反萃 取过程。
用 AOT反胶团体系萃取血红蛋白时发现 , 蛋白质浓度高时,萃取率降低;而蛋白质浓 度低时,萃取率较高。
⑥表面活性剂
表面活性剂的类型 目前最常用的反胶团或微乳液是 AOT/异辛烷 体系。一是AOT形成的反胶团较大 ,有利于蛋 白质的萃取 ;二是AOT形成反胶团时不需加助 表面活性剂。 表面活性剂的浓度 当其它条件一定时 ,表面活性剂浓度也存在某 临界值。小于此临界值时 ,增大表面活性剂的 浓度可提高蛋白质的萃取率 ,大于临界值时 , 则无明显影响
② 空间相互作用
A. 盐浓度增大对反
胶团相产生脱水效应, 含 水率W0随盐浓度的增大 而降低,反胶团直径减小, 空间排阻作用增大, pro 溶解下降。
B .在各pro的pI处(排除了静电相互作用的影响)，反胶团萃 取实验研究表明: 随着M增大, pro的分配系数(m, 溶解率)下 降。表明随M增大, 空间排阻作用增大, pro的溶解率降低.
阳离子表面活性剂
季铵盐
非极性有机溶剂：环己烷，庚烷， 辛烷等
分离蛋白质时， 使用最多的是阴离子型表面活性剂AOT。
2、反胶团的物理化学特性及制备
（1）反胶团的物理化学特性
① 反胶团的临界胶团浓度
表面活性剂在非极性有机溶剂中能形成反胶团的最小浓度
② 反胶团含水率W W=C水/C表 W越大，反胶团的半径越大
一、概述
反胶团(Reversed Micelles)是两性表面活性 剂在非极性有机溶剂中亲水性基团自发地向内聚集 而成的，内含微小水滴的，空间尺度仅为纳米级的
集合型胶体。是一种自我组织和排列而成的，并具
热力学稳定的有序构造。
反胶团的微小界面和微小水相具有两个特异性 功能：
(2)在疏水性环境中具有使亲水性大分子如蛋白质等 保持活性。
人有了知识，就会具备各种分析能力， 明辨是非的能力。 所以我们要勤恳读书，广泛阅读， 古人说“书中自有黄金屋。 ”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识， 培养逻辑思维能力； 通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平， 培养文学情趣； 通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。 有许多书籍还能培养我们的道德情操， 给我们巨大的精神力量， 鼓舞我们前进。
当向非极性溶剂中加入表面活性剂，并使其浓度超过一 定数值时，也会在非极性溶剂内形成表面活性剂的聚集体。 与在水相中不同的是，其疏水性的非极性尾部向外，指向非 极性溶剂，而极性头向内，与在水相中形成的微胶团方向相 反，因而称之为反胶团或反向胶团。
构成反胶团的表面活性剂种类：
阴离子表面活性剂
AOT(琥珀酸二酯磺酸钠，P154图8-2）
②盐离子的种类
③盐浓度
W0
S&Pro Z
盐浓度
萃取率
④温度
温度是影响蛋白质萃取率的一个重要因素。一 般来说 ,温度的增加将使反胶团的含水量下降。 不利于蛋白质的萃取。
通过提高温度可以实现蛋白质的反萃取。
⑤ 蛋白质分子量和浓度
蛋白质的分子量对其萃取率有较大影响。 例如溶菌酶、胰蛋白酶和胃蛋白酶的分子 量分别为 14300、23300、35000 , AOT/ 异辛烷反胶团萃取它们的最大萃取率分别 约为 1 0 0 %、90 %、3 0 % ,表明分子量 越大的蛋白质越难萃取。
2、蛋白质的溶解
a、水壳模型：蛋白质位于水
池的中心，周围存在的水层将 其与反胶团壁隔开；
b、半岛模型：pro表面存在
强烈疏水区，该区直接与有机 相接触；
c、pro吸附于反胶团内壁； d、pro疏水区与几个反胶团的
疏水尾发生相互作用，被几个 小反胶团所“溶解”。
3、反胶团萃取
1）分离场-分离物质的相互作用
(5)反胶团萃取技术的成本低，溶剂可反复使用等。
二、反胶团的形成
1、反胶团的构造： 在胶体化学中我们知道，如向水溶液中加入表面活性
剂，并使其浓度超过一定数值时，表面活性剂就会在水相中
形成胶体或微胶团，它是表面活性剂的聚集体。其亲水性的 极性端向外指向水溶液，疏水性的非极性“尾”向内相互聚
集在一起。
所以可以根据pro间M的差别选择性对pro进行萃取分离。
③疏水性相互作用 aa的疏水性各不相同, 研究表明, aa或肽的分配系数m随aa 疏水性的增大而增大（ P160图8-7）。蛋白质的疏水性影响 其在反胶团中的溶解形式,因而影响其分配系数。疏水性较 大的pro可能以“半岛式”形式溶解。
2）反胶束萃取的影响因素
水
极性“头”
微胶团：水溶液中
表面活性剂的极
性头朝外，疏水 的尾部朝内，中 间形成非极性的 “核”
非极性的 “核”
非极性“尾”
非极性有 机溶剂
极性“头”
反胶团：
表面活性剂的极
性头朝内，疏水 的尾部向外，中 间形成极性的“核”
极性的“核” 反微团内溶解的水称为微水相或水池
非极性“尾”
第八章 反胶团萃取
案例二： 使用二级混合-分离型萃取流程，用 TOMAC/0.1%辛醇-异辛烷的溶液体系连续分 离-淀粉酶，浓缩了17倍。(图)
案例三 ： 胞内酶的提取
作业：
第八章 反胶团萃取
1.概念：反胶团；反胶团的临界胶团浓度 2.反胶团萃取的优点有哪些？ 3.如何用反胶团萃取技术分离核糖核酸酶a、细胞色 素c和溶菌酶？
(1)具有分子识别并允许选择性透过的半透膜的功能；
反胶团萃取的优点
，过程简便；
(3)能解决蛋白质(如胞内酶)在非细胞环境中迅速失
活的问题； (4)由于构成反胶团的表面活性剂往往具有细胞破壁功 效，因而可直接从完整细胞中提取具有活性的蛋白 质和酶；
四、 反胶团萃取的应用
分离蛋白质混合物； 浓缩α -淀粉酶； 从发酵液中提取胞外酶 ； 直接提取胞内酶； 用于蛋白质复性。
案例一： 通过三步分离操作分离了核糖核酸酶a、 细胞色素c和溶菌酶。 依据原理1 依据原理2
通过调节水相pH值和KCl浓度来实现三种蛋白质的 分离。在pH=9时，核糖核酸酶的溶解度很小，保留 在水相而与其他两种蛋白质分离；相分离后得到的 反胶团相（含细胞色素C和溶菌酶）与0.5 mol/L的 KCl水溶液接触后，细胞色素C被反萃取到水相，而 溶菌酶留在反胶团相；含溶菌酶的反胶团与2.0 mol/L KCl，pH值为11.5的水相接触后，将溶菌酶 反萃至水相中。